Chương 4 Điều chỉnh tốc độ ĐCMC

CHƯƠNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU * Mục tiêu: Sinh viên phải tiếp nhận vấn đề: - Điều chỉnh tốc độ yêu cầu thiếu hệ thống truyền động điên điều chỉnh Để điều chỉnh tốc độ phải tác động vào thơng số đặc tính - Nguyên lí, đặc điểm, tiêu kỹ thuật – kinh tế điều chỉnh tốc độ hệ: F- Đ, T – Đ, xung áp – Đ - Sự giống khác xây dựng đặc tính hệ F- Đ, T – Đ, xung áp – Đ, từ nêu ưu nhược điểm hệ * Tóm tắt nội dung: Sinh viên cần nắm vấn đề: - Nguyên lý, tiêu kỹ thuật – kinh tế điều chỉnh tốc độ động chiều điện áp, điện trở, từ thông - Sơ đồ nguyên lý, sơ đồ thay đặc tính điện, đặc tính cơ, q trình làm việc hệ thống truyền động điện điển hình: F- Đ, T – Đ, xung áp – Đ - Ưu nhược điểm phạm vi ứng dụng phương pháp điều chỉnh 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động điện chiều có nhiều ưu việt so với loại động khác, khơng có khả điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh tốc độ rộng Thực tế, có phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều sau: - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động - Điều chỉnh điện trở mạch phần ứng động - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động Cấu trúc phần lực hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động điện chiều cần có biến đổi Các biến đổi cấp cho mạch phần ứng động mạch kích từ động Cho đến nay, cơng nghiệp sử dụng loại biến đổi chính: - Bộ biến đổi máy điện - Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu thiristơ (CLT) - Bộ biến đổi xung áp chiều: tiristơ tranzito (BBĐXA) Tương ứng với việc sử dụng biến đổi mà ta có hệ truyền động như: - Hệ truyền động máy phát - động (F - Đ) - Hệ truyền động chỉnh lưu tiristơ - động (T - Đ) - Hệ truyền động xung áp - động (XA - Đ) Theo cấu trúc mạch điều khiển hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển "hở") Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, có chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh rộng so với hệ truyền động "hở" Ngoài ra, hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động chiều phân loại theo truyền động có đảo chiều quay khơng đảo chiều quay Đồng thời, tuỳ thuộc vào phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc góc phần tư, hai góc phần tư bốn góc phần tư Trong phạm vi chương này, nghiên cứu tính chất tổng quát, tính chất riêng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động chiều 4.2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG Để điều chỉnh điện áp phần ứng động chiều cần có thiết bị nguồn máy phát điện chiều kích từ độc lập, chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bị nguồn có chức biến lưới điện xoay chiều thành chiều có sức điện động E b điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển U đk Vì nguồn có cơng suất hữu hạn so với động nên biến đổi có điện trở Rb điện cảm Lb khác không Ở chế độ xác lập viết phương trình đặc tính hệ thống sau: Eb - Eư = Iư(Rb + Rưđ) ω= R +R ­ ® Eb - b I­ K Φ ®m K Φ ®m ω = ω0(Uđk) - M β Rb LK BBĐ Uđk (4 1) Đ Eb(Uđk) I Rưđ U Eư ) Hình 4.1: Sơ đồ khối sơ đồ thay chế độ xác lập Vì từ thơng động giữ khơng đổi nên độ cứng đặc tính khơng đổi, cịn tốc độ khơng tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U đk hệ thống, đó, nói phương pháp điều chỉnh triệt để Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta để ý tốc độ lớn hệ thống bị chặn đặc tính cơ đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức từ thông giữ giá trị định mức Tốc độ nhỏ dải điều chỉnh bị giới hạn yêu cầu sai số tốc độ momen khởi động Khi momen tải định mức giá trị lớn nhỏ tốc độ là: ω max =ω 0max - M ®m β M ω =ω 0min - ®m β (4 2) Để thoả mãn khả q tải đặc tính thấp dải điều chỉnh phải có momen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Trong KM hệ số q tải momen Vì họ đặc tính đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa độ cứng đặc tính ta viết: ωmin = (Mnmmin - Mđm) D= ω 0max (K M M ®m (K M - 1) = β β M ®m β ω 0max.β -1 M ®m = - 1)M ®m / β KM -1 Với cấu máy cụ thể giá trị ωmin, Mđm, KM xác định Vì phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị độ cứng β ω0max ωmax ω ω0min ωmin M,I Mđm Mnm Hình 4.2: Xác định phạm vi điều chỉnh Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động thiết bị nguồn điều chỉnh điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động Do đó, tính sơ được: ωmax β /Mđm ≤ 10 Vì thế, với tải có đặc tính momen khơng đổi giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt 10 Đối với máy có yêu cầu cao dải điều chỉnh độ xác trì tốc độ làm việc việc sử dụng hệ thống hở không thoả mãn Trong phạm vi phụ tải cho phép coi đặc tính tĩnh truyền động chiều kích từ độc lập tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng độ cứng đặc tính tồn dải điều chỉnh nhau, đó, sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn đặc tính thấp dải điều chỉnh Nói cách khác, đặc tính thấp dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt giá trị sai số cho phép, hệ truyền động làm việc với sai số nhỏ sai số cho phép toàn dải điều chỉnh Sai số tương đối tốc độ đặc tính thấp là: s= M ®m ω0 − ωmin ∆ω = ;s= ≤ s β ω 0min cp ω0 ω0 Vì giá trị Mđm, ω0min, scp xác định nên tính giá trị tối thiểu độ cứng đặc tính cho sai số khơng vượt giá trị cho phép Để làm việc này, đa số trường hợp cần xây dựng hệ truyền động điện kiểu vịng kín Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng phù hợp với tải M c = số ; Pc = Mcω phạm vi điều chỉnh mômen cho phép động Mcp = KΦđmIđm = Mđm Phạm vi điều chỉnh tốc độ momen nằm hình chữ nhật bao đường thẳng ω = ωđm, M = Mđm trục toạ độ Tổn hao lượng tổn hao mạch phần ứng bỏ qua tổn hao không đổi hệ Eb = Eư + Iư(Rb +Rưđ) IưEb = IưEư + I2ư(Rb +Rưđ) Nếu đặt Rb + Rưđ = R hiệu suất biến đổi lượng hệ là: I ­ E­ ω * = ω MR ηư = I ­ E ­ +I ­ R ; ηư = * * * ω+ ω + M R (K Φ ®m) Khi làm việc chế độ xác lập ta có momen động sinh M tải trục: M* = M*c gần coi đặc tính phụ tải M*c = (ω*)x thì: ω* ηư = * ω + R* (ω* ) x−1 (4 - 3) ω ω X=0 ωĐM X= -1 MĐM M Hình 4.3: Quan hệ hiệu suất truyền động điện tốc độ với tải khác ηƯ Hình vẽ mơ tả quan hệ hiệu suất tốc độ làm việc trường hợp momen tải số toàn dải điều chỉnh Cũng thấy không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, làm giảm đáng kể hiệu suất hệ 4.3 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ MẠCH PHẦN ỨNG Sơ đồ nguyên lý nối dây hình 3.6 Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính dốc giữ nguyên tốc độ khơng tải lý tưởng Họ đặc tính thay đổi điện trở mạch phần ứng hình 3.6 Đặc điểm phương pháp điều chỉnh tốc độ cách thay đổi điện trở mạch phần ứng: - Điện trở mạch phần ứng tăng, độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm độ ổn định tốc độ kém, sai số tốc độ lớn - Phương pháp cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ phía giảm (do tăng thêm điện trở) - Vỡ điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng tổn hao công suất dạng nhiệt điện trở lớn - Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải Tải nhỏ (M 1) thỡ dải điều chỉnh D1 nhỏ Nói chung, phương pháp cho dải điều chỉnh: D ≈ 5:1 - Về nguyên tắc, phương pháp cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở vỡ dũng dòng mạch lực nên việc chuyển đổi điện trở khó khăn Thực tế thường sử dụng cho hệ thống công suất nhỏ điều chỉnh có cấp với hệ thống công suất lớn, hệ thống công suất lớn muốn điều chỉnh trơn giá trị điện trở mạch phần ứng dùng phương pháp xung điện trở mạch phần ứng Phương pháp phù hợp với tải Mc = số(giữ Iư = số M = KΦIư = h.số) 4.4 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH TỪ THÔNG ĐỘNG CƠ Điều chỉnh từ thơng kích thích động điện chiều điều chỉnh momen điện từ động M = KΦIư sức điện động quay động mạch phi tuyến, hệ điều chỉnh từ thông hệ phi tuyến: ik = Trong đó: ek dφ + ωk rb + rk dt rk - điện trở dây quấn kích thích rb - điện trở nguồn điện áp kích thích ωk- số vịng dây dây quấn kích thích (4.4) Trong chế độ xác lập ta có quan hệ: ik = ek ; φ = f(ik) rb + rk ω Uđkφ ωmax I ik + rk wk E Đặc tính - Mđm M a) ik,wk Lk(UđkΦ) Φ b) Hình 4.4: Sơ đồ thay (a), Đặc tính điều chỉnh điều chỉnh φ động (b) Quan hệ φ (ikt) (c) Thường điều chỉnh từ thơng điện áp phần ứng giữ ngun giá trị định mức, đó, đặc tính thấp vùng điều chỉnh từ thơng đặc tính (đơi đặc tính tự nhiên động cơ) Tốc độ lớn dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế khả chuyển mạch cổ góp điện Khi giảm từ thơng để tăng tốc độ quay động đồng thời điều kiện chuyển mạch cổ góp bị xấu đi, vậy, để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường cần phải giảm dịng điện phần ứng cho phép, kết momen cho phép trục động giảm nhanh Ngay giữ ngun dịng điện phần ứng độ cứng đặc tính giảm nhanh giảm từ thơng kích thích: ( Kφ ) βφ = R hay β*φ = (φ *)2 Do điều chỉnh tốc độ cách giảm từ thông nên động mà từ thông định mức nằm chỗ tiếp giáp vùng tuyến tính vùng bão hồ đặc tính từ hố coi việc điều chỉnh tuyến tính số C phụ thuộc vào thông số kết cấu máy điện: φ = C.ik = C ek rb + rk Để xác định Mccp(ω): Xuất phát từ Uư= KΦω + IưRư , coi sụt áp mạch phần ứng khơng đáng kể KΦ = U U → Mccp(ω) = KΦI = I ω ω (tức Mc ~ ) → Phương pháp phù hợp với tải ω Mc tỷ lệ nghịch với tốc độ 4.5 HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG MÁY PHÁT - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU (F Đ) 4.5.1 Sơ đồ hệ F - Đ đặc tính Hệ thống máy phát - động (F - Đ) hệ truyền động điện mà biến đổi điện máy phát điện chiều kích từ độc lập Máy phát thường động sơ cấp không đồng ba pha ĐK quay coi tốc độ quay máy phát khơng đổi Tính chất máy phát điện xác định hai đặc tính: đặc tính từ hố phụ thuộc sức điện động máy phát vào dịng điện kích từ đặc tính tải phụ thuộc điện áp hai cực máy phát vào dòng điện tải Các đặc tính nói chung phi tuyến tính chất lõi sắt, phản ứng dịng điện phần ứng… Trong tính tốn gần tuyến tính hố đặc tính này: EF = KF ΦF.ωF = KF.ωF.C.iKF Trong đó: (4 - 5) KF hệ số kết cấu máy phát C = ∆ΦF/∆ikF hệ số góc đặc tính từ hố Nếu dây quấn kích thích máy phát cấp nguồn áp lý tưởng UKF thì: IKF = U KF rKF Sức điện động máy phát trường hợp tỷ lệ với điện áp kích thích hệ số KF, coi gần máy phát điện chiều kích từ độc lập khuếch đại tuyến tính: I UđkΦ ĐK ω UKF F EF = KF.UKF (4 - 6) IKF UđkU F UKF UF = U Đ Đ M ω MS IKĐ EF UF iKF I 0 Hình 4.5: Hệ thống máy phát – động a) Sơ đồ ngun lí b) Các đặc tính từ hố đặc tính tải Nếu đặt R = RưF + RưĐ viết p.trình đặc tính hệ F - Đ sau: ω= KF RI U KF − KΦ KΦ ω= KF R U KF − M KΦ (K Φ ) ω = ω0(UKF, UKĐ) - (4 - 7) M β(U K § ) Các biểu thức (4 - 7) chứng tỏ rằng, điều chỉnh dịng điện kích thích máy phát điều chỉnh tốc độ khơng tải hệ thống cịn độ cứng đặc tính giữ ngun Cũng điều chỉnh kích từ động để có dải điều chỉnh tốc độ rộng 4.5.2 Các chế độ làm việc hệ F - Đ Trong mạch lực hệ F - Đ khơng có phần tử phi tuyến nên hệ có đặc tính động tốt, linh hoạt chuyển trạng thái làm việc Với sơ đồ H.4 ... lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh tốc độ rộng Thực tế, có phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều sau: - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động - Điều chỉnh điện trở mạch phần ứng động... truyền động điều chỉnh tự động) loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển "hở") Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, có chất lượng điều chỉnh cao dải điều chỉnh. .. = h.số) 4. 4 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHỈNH TỪ THƠNG ĐỘNG CƠ Điều chỉnh từ thơng kích thích động điện chiều điều chỉnh momen điện từ động M = KΦIư sức điện động quay động mạch phi tuyến, hệ điều chỉnh từ